Um motor síncrono é aquele em que o rotor roda normalmente à mesma velocidade que o campo rotativo na máquina. O estator é semelhante ao de uma máquina de indução constituída por uma estrutura cilíndrica de ferro com enrolamentos, geralmente trifásicos, localizados em ranhuras ao redor da periferia interna. A diferença está no rotor, que normalmente contém um enrolamento isolado conectado através de anéis deslizantes ou outros meios a uma fonte de corrente contínua (ver figura).

O princípio de funcionamento de um motor síncrono pode ser entendido considerando os enrolamentos do estator a serem conectados a uma fonte de corrente alternada trifásica. O efeito da corrente do estator é estabelecer um campo magnético girando a 120 f/p rotações por minuto para uma frequência de f hertz e para p pólos. Uma corrente contínua em um enrolamento de campo p-p-polo no rotor também produzirá um campo magnético girando à velocidade do rotor. Se a velocidade do rotor for igual à do campo do estator e não houver torque de carga, estes dois campos magnéticos tenderão a se alinhar um com o outro. Como a carga mecânica é aplicada, o rotor desliza um número de graus em relação ao campo rotativo do estator, desenvolvendo torque e continuando a ser puxado por este campo rotativo. O ângulo entre os campos aumenta à medida que o torque de carga é aumentado. O torque máximo disponível é alcançado quando o ângulo pelo qual o campo do rotor se desloca o campo do estator é de 90°. Uma vantagem do motor síncrono é que o campo magnético da máquina pode ser produzido pela corrente contínua no enrolamento do campo, de modo que os enrolamentos do estator precisam fornecer apenas uma componente de potência da corrente em fase com a tensão aplicada ao estator – isto é, o motor pode operar com fator de potência unitário. Esta condição minimiza as perdas e o aquecimento nos enrolamentos do estator.

O factor de potência da entrada eléctrica do estator pode ser directamente controlado através do ajuste da corrente de campo. Se a corrente de campo for aumentada para além do valor necessário para fornecer o campo magnético, a corrente do estator muda para incluir um componente para compensar esta sobremagnetização. O resultado será uma corrente total do estator que conduz a tensão do estator em fase, fornecendo assim ao sistema de energia os ajustes de tensão reativa necessários para magnetizar outros aparelhos conectados ao sistema, tais como transformadores e motores de indução. A operação de um grande motor síncrono com tal fator de potência principal pode ser uma forma eficaz de melhorar o fator de potência global das cargas elétricas em uma fábrica para evitar taxas adicionais de alimentação elétrica que podem ser carregadas para cargas com baixo fator de potência.

Motores síncronos trifásicos encontram sua principal aplicação em situações industriais onde há uma carga mecânica grande e razoavelmente estável, geralmente superior a 300 kilowatts, e onde a capacidade de operar com fator de potência principal é de valor. Abaixo deste nível de potência, as máquinas síncronas são geralmente mais caras que as máquinas de indução.

A corrente de campo pode ser fornecida por um retificador controlado externamente através de anéis deslizantes ou, em motores maiores, pode ser fornecida por um retificador montado no eixo com um transformador ou gerador rotativo.

Um motor síncrono com apenas um enrolamento de campo carregando uma corrente contínua não seria auto-arranque. Em qualquer velocidade que não seja a velocidade síncrona, seu rotor experimentaria um torque oscilante de valor médio zero, já que o campo magnético rotativo passa repetidamente pelo rotor em movimento mais lento. Normalmente, um enrolamento em curto-circuito semelhante ao de uma máquina de indução é adicionado ao rotor para fornecer torque de partida. O motor é ligado, seja com tensão total ou reduzida do estator, e levado até cerca de 95% da velocidade síncrona, normalmente com o curto-circuito do enrolamento do campo para protegê-lo de tensão induzida excessiva. A corrente de campo é então aplicada e o rotor entra em sincronismo com o campo rotativo.

Este enrolamento adicional do rotor é normalmente referido como um enrolamento amortecedor devido à sua propriedade adicional de amortecer qualquer oscilação que possa ser causada por alterações súbitas na carga do rotor quando em sincronismo. O ajuste às mudanças de carga envolve mudanças no ângulo pelo qual o campo do rotor retarda o campo do estator e, portanto, envolve mudanças de curto prazo na velocidade instantânea. Estas provocam a indução de correntes nos enrolamentos do amortecedor, produzindo um torque que atua para se opor à mudança de velocidade.

Proteção para motores síncronos é semelhante à utilizada em motores de indução de grande porte. A temperatura pode ser detectada tanto no estator como nos enrolamentos de campo e utilizada para desligar a alimentação eléctrica. Ocorre um aquecimento considerável no enrolamento do rotor durante o arranque, e é frequentemente instalado um temporizador para evitar arranques repetidos dentro de um intervalo de tempo limitado.